潜油电机转子的热态特性研究

谭吉春

(大庆油田力神泵业有限公司 研发中心，黑龙江 大庆 163311)



潜油电机转子的热态特性研究

谭吉春

(大庆油田力神泵业有限公司 研发中心，黑龙江 大庆 163311)

摘要：潜油电机作为潜油电泵机组的重要部件之一，在井底工作时转子的发热与散热是影响机组正常工作的主要因素。首先介绍了潜油电机的结构特点，分析了潜油电机发热的主要来源，利用有限元分析软件ANSYS模拟了一段转子单元的三维温度分布，得到了潜油电机转子的温度分布图。

关键词：潜油电机；转子；热态特性

0引言

在注水开发油田的中后期，油井不可避免地会出现水淹现象。随着油井含水率增加，采油指数逐渐下降，为保证油井产量稳定，采用潜油电泵提高采油压差、增加产量。潜油电泵工艺作为油田开采中重要的机械采油技术，是油田长期稳产的主要手段之一。潜油电机驱动潜油离心泵抽取地下的原油，是整个系统中结构最复杂的一部分，它连同潜油电泵一起工作在井下，环境十分复杂。准确地掌握潜油电机各部分的温升情况，对潜油电机的设计及安全运行具有重要意义。

1潜油电机结构及组成

潜油电泵应用的潜油电机多为二极三相鼠笼式异步电机。单节长度在1.5～10m之间，大功率采用多节串联连接方式，可根据所下入油井套管采用不同系列的电机。潜油电机为立式悬挂结构，主要由定子、转子、轴承、接头以及一些附属零件组成(如图1所示)。整个转子的重量由位于电机头内部的止推轴承承担。潜油电机整机为密封式，定子、转子之间的间隙内充满精炼矿物油，起到绝缘、润滑、散热作用。

本文以YQY114P-2，31kW潜油电机为例，采用有限元法分析了其稳态运行下的一段转子的温升情况。

图1　潜油电机转子结构示意图

2转子温度场的计算模型及边界条件

根据潜油电机转子结构的对称特性，取一个转子单元轴向段和扶正轴承的一半作为计算区域，如图2所示，其中，S1为转子铜条截面，S2为铁心截面，S3、S4、S5为扶正轴承截面，S6转轴截面，S7为转子外表面，S8为转轴内表面。

图2　计算区域

计算的基本假设：①定子、转子之间没有热传递；②忽略转子铁心的铁损耗；③所有的机械损耗均集中在转子的表面；④忽略气隙谐波磁场产生的杂散损耗；⑤S1～S6为绝热面；S7～S8为对流换热面。

根据传热学理论，由三维稳态热传导方程和两类边界条件可将求解的边值问题描述为：

式中：λx，λy，λz沿x,y,z方向的导热系数W/m.℃；q为热流密度W/m3；S1～S6为第二类边界面；S7～S8为第三类边界面。

3转子热源的分析

潜油电机的损耗主要包括绕组的铜损耗、机械损耗和杂散损耗三部分，其中起主要作用的是绕组的铜损耗和摩擦损耗。本文只考虑绕组的铜损耗、润滑油与转子的摩擦损耗和扶正轴承的摩擦损耗对温度的影响。

3.1绕组损耗

式中：Ne——转子导条单元总数；JT——单位感应电流密度；Δe导条剖分的单元面积。

3.2润滑油与转子的摩擦损耗

根据粘性流体的特性，流体的粘度越大，摩擦力就越大；电机的机械损耗也就越大。由于润滑油的粘度随温度和压力的变化而变化，但压力影响很小，这里只考虑温度的影响，可以认为润滑油的转速U只与温度有关。设电机转子外表面的线速度为V，当电机运行温度为50℃时，U=0.5V；当电机运行温度为100℃时，U=0.55V。润滑油转速的三个分量用柱坐标表示为：

式中：d——润滑油厚度

所以，润滑油的摩擦损耗为流体的动能和热能之和P0=dEd0+D

润滑油获得的热能

3.3扶正轴承的摩擦损耗

潜油电机在装配过程中由于装配误差等因素，不可避免地使定转子之间存在一定的偏心，产生单边磁拉力，产生摩擦损耗Pf

式中：β——经验系数，潜油电机β=0.3；δ——单边平均气隙(m)；e0——初始偏心，取0.1δ；Bδ——气隙磁密(T)；D2——转子外径(m)；lef——铁心有效长度(m)；μ——气隙磁导率(H/m)。

根据以上方法计算出电机损耗后将其换成生热率赋给相应的生热部位。

4转子温度场的计算

计算出各部分的损耗值，将其转化为生热率，作为计算转子温度场分布的热源，如表1所示。

表1损耗值和生热率

损耗类型损耗值/W生热率/(W/m3)绕组损耗1402.53796800.13机械损耗1176.461207075.96扶正轴承损耗26.5122810.27

采用有限元法对转子的温度场进行求解，选择六面体八节点单元进行划分网格，求解后得出各部分的温度分布图，如图3所示

图3　转子温度分布图

5结语

通过对潜油电机发热机理的分析，在简化计算模型的基础上，采用有限元法求解潜油电机转子的温度场分布情况，了解潜油电机转子的热态特性，仿真结果显示，在额定运行工况下，潜油电机转子的温度均在规定的极限温度下，可以保证机组的安全运行。

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中图分类号：TE933.3

文献标识码：A

文章编号：2095-0063(2015)06-0076-03

收稿日期：2015-09-20

作者简介：谭吉春(1964-)，女，黑龙江双城人，工程师，从事电机电气研究。

DOI10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2015.06.019